(57)【要約】【課題】記録密度を飛躍的に改善することを可能にする。【解決手段】情報の記録または消去時には第１の電極１１の電子放出端の周囲に配置された第２の電極１２に第１の電圧を印加した状態で第１の電極に第２の電圧を印加することにより電子放出端から記録媒体２０の記録部に電子を放出させて記録部に電流を流し、再生時には第２の電極に第１の電圧を印加した状態で第１の電極に記録時または前記消去時よりも小さな電圧を印加することにより電子放出端から記録媒体の記録部に再生電流を流し、記録部の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を検出する。【選択図】図１
2007265503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出により電子を放出する電子放出端を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記電子放出端の周囲に配置され、前記電子放出端から放出された電子を制御する第２の電極と、を有する電極部と、
情報の記録または消去時には前記第２の電極に第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に第２の電圧を印加することにより前記電子放出端から記録媒体の記録部に電子を放出させて前記記録部に電流を流す記録消去回路と、再生時には前記第２の電極に前記第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に前記記録時または前記消去時よりも小さな第３の電圧を印加することにより前記電子放出端から前記記録媒体の前記記録部に再生電流を流す再生回路とを有し、前記記録部の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を検出する制御部と、
を備えていること特徴とする情報記録再生装置。
【請求項２】
電界放出により電子を放出する電子放出端を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記電子放出端の周囲に配置され、前記電子放出端から放出された電子を制御する第２の電極とを有する電極部と、
偏極スピン制御層および磁気記録層を有する記録媒体の前記偏極スピン制御層に磁界を印加する磁界印加部と、
情報の記録または消去時には前記磁界印加部によって前記偏極スピン制御層に磁界を印加して前記偏極スピン制御層の磁化の向きを決定するとともに前記第２の電極に第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に第２の電圧を印加することにより前記電子放出端から電子を放出させて前記偏極スピン制御層を介して前記磁気記録層に記録電流を流す記録回路と、再生時には前記磁界印加部によって前記偏極スピン制御層に磁界を印加して前記偏極スピン制御層の磁化の向きを設定するとともに前記第２の電極に前記第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に前記記録時または消去時よりも小さな電圧を印加ことにより前記電子放出端から前記偏極スピン制御層を介して前記磁気記録層に再生電流を流す再生回路と、を有し、前記磁気記録層の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を電圧変化として検出する制御部と、
を備えていること特徴とする情報記録再生装置。
【請求項３】
前記磁界印加部は、磁極と、前記磁極を励磁するコイルとを備えていることを特徴とする請求項２記載の情報記録再生装置。
【請求項４】
前記第２の電極は前記磁極であることを特徴とする請求項３記載の情報記録再生装置。
【請求項５】
電界放出により電子を放出する電子放出端を有するとともに磁極となる第１の電極と、前記第１の電極の前記電子放出端の周囲に配置され、前記電子放出端から放出された電子を制御する第２の電極と、を有する電極部と、
前記第１の電極に磁界を印加する磁界印加部と、
情報の記録または消去時には前記磁界印加部によって前記第１の電極に磁界を印加して前記第１の電極の磁化の向きを設定するとともに前記第２の電極に第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に第２の電圧を印加することにより前記電子放出端からスピン偏極した電子を放出させて記録媒体の磁気記録層に記録電流を流す記録回路と、再生時には前記第２の電極に前記第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に前記記録時または消去時よりも小さな第３の電圧を印加することにより前記電子放出端から前記磁気記録層に再生電流を流す再生回路と、を有し、前記磁気記録層の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を検出する制御部と、
を備えていること特徴とする情報記録再生装置。
【請求項６】
前記磁界印加部はコイルであることを特徴とする請求項５記載の情報記録再生装置。
【請求項７】
前記第２の電極は、前記第１の電極の周囲を取り囲むように配置された１つの電極であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の情報記録再生装置。
【請求項８】
前記第２の電極は、前記第１の電極の周囲を取り囲むように配置された少なくとも２対の電極を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の情報記録再生装置。
【請求項９】
前記第２の電極は、前記第１の電極を挟むように配置された１対の電極であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の情報記録再生装置。
【請求項１０】
前記電極部が複数個アレイ状に配列され、前記電極部それぞれの第１の電極を並列動作させることにより前記記録媒体に同時に多チャンネルの記録、消去または再生を行うことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の情報記録再生装置。
【請求項１１】
前記電極部が複数個アレイ状に配列されるとともに、前記磁界印加部が前記電極部のそれぞれに対応して設けられ、前記電極部それぞれの第１の電極を並列動作させることにより前記記録媒体に同時に多チャンネルの記録、消去または再生を行うことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の情報記録再生装置。
【請求項１２】
前記第１の電極は、実質的に大気圧の気体雰囲気において電子を放出し、前記第１の電極と前記記録媒体との間隔が、前記第１の電極から放出される電子の平均自由行程よりも短いことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の情報記録再生装置。
【請求項１３】
前記第１の電極の電子放出端と前記記録媒体との間隔をｄ(ｎｍ)、前記電子の１気圧における平均自由行程の最小値をλmin(ｎｍ)、前記気体雰囲気の圧力をＰ(Ｔｏｒｒ)としたときに、ｄ＜λmin×(７６０／Ｐ)  なる条件が満たされることを特徴とする請求項１２記載の情報記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出による電子線により記録媒体を加熱して情報の記録を行うと共に、電子線を記録媒体に照射することで記録部に電流を流し上記記録部の記録状態の違いに応じた抵抗値の変化を電圧変化として読み出すことによって記録情報を再生する情報記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、情報記録ストレージ・メモリとして従来から磁気ディスクや光ディスクそしてフラッシュメモリを代表とする半導体メモリが広く用いられている。しかし、いずれのストレージ、メモリにおいても今後の大容量化・高速化は困難度が増しており、特にＴｂ（テラビット）／ｉｎ２を超える面記録密度を実用化するに当たっては従来型の記録方式では多大なる困難を伴うと予測される。
【０００３】
このような背景の下、これらに代わる小型で大容量、高速しかも安価な新規ストレージ・メモリの実用化が求められており、昨今、新原理に基づく記録再生方式の研究開発が国内外で精力的に進められている。
【０００４】
その中で、注目すべき記録再生原理として、次のようなものを挙げることができる。一つは、新たな固体メモリとして実用化が期待されているＰＲＡＭやＲＲＡＭ等の記録再生原理である。ＰＲＡＭ（Phase change Random Access Memory）の場合は、記録材料として相変化材料（Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓｎ−Ｔｅ等のカルコゲン化合物）を、一方、ＲＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）ではＣＭＲ（Colossal Magneto Resistive）材料（ペブロスカイト系の結晶構造を持つＰｒＣａＭｎＯ等の材料）を用いる。情報の記録は、例えば、ＰＲＡＭの場合、記録素子に電流を流して加熱昇温することで材料の相変化（非結晶⇒結晶）を引き起こすことで行う。また、ＰＲＡＭ、ＲＲＡＭでは、記録の有無により素子の電気抵抗が３桁〜５桁と大幅に変化するため、素子に所定の電流を流すと記録の有無に応じた大きな電圧を生じるため、この電圧変化を検出することで高感度の再生が可能となる。また、記録素子を小さくすればするほど、記録に必要な電流値が減少することも高密度化に有利に作用する。
【０００５】
もう一つ注目すべき記録再生原理は、次世代ＭＲＡＭへの適用が期待されるスピン注入磁気記録方式である。これはスピン偏極させた電流によって磁性記録素子の磁化を高速に反転させることで記録を行うもので、素子サイズを縮小すると記録電流も減少するため記録密度の向上に有利な記録方式である。再生は、磁性記録素子の記録磁化の向きに応じたＴＭＲ素子等の抵抗変化を電圧変化として検出することにより行われる。最近、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子は磁気トンネル接合材料としてＭｇＯ膜を利用した場合に、１４０％と従来のアルミナ膜を利用した場合の約２倍もの高いＭＲ比が得られることが実験検証されており、将来的にはより高感度・高速の再生が期待できそうである。
【０００６】
上述の記録再生原理は、何れも、将来の固体メモリへの適用を主眼に開発が進められているものである。しかしながら、昨今リソグラフ技術の高密度化の困難度が増しており、現状技術の延長線上では２０ｎｍ以下の配線幅を得ることは困難と予想されている。したがって、上述の記録再生原理を適用しても、配線幅２０ｎｍ以下の１Ｔｂｐｓｉ超級の高密度固体メモリを実現することは、よほどのブレークスルーがない限り困難と予想される。
【０００７】
一方、配線幅に依存せず、高密度記録再生に適するメモリとして、昨今、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マルチプローブメモリが注目されている。その一例として、ＩＢＭ社が開発した“Millipede”と呼ばれるメモリが知られている。これは有機ポリマー材料から成るメディアに熱的にトポ記録するメモリであり（信号再生：記録の有無によって生じるカンチレバー抵抗器の抵抗変化を検出）、１チップに１０００本のカンチレバーを設置して、これらを同時にパラレル処理することが想定されている。チップは１バッチ作製される。シングル・プローブでのデモンストレーションではあるが、記録密度においては既にＨＤＤのレベルを遥かに凌ぐ１．１４Ｔｂｉｔｓ／ｉｎ２が実証されている。このメモリは将来のモバイルストレージとしての実用化が期待されるが、ＳＤカードサイズのメモリを想定した場合、転送速度が現行のＨＤＤと比較して１／１０程度以下と非常に遅いことが欠点である。そこで、ポリマーへの熱トポ記録から、上述した様な記録再生原理（元々高速の記録再生が可能）を適用すれば、より高速で高密度のＭＥＭＳプローブメモリが実現できると考えられる。なお、ＭＥＭＳプローブメモリの記録密度は配線幅の制限を受けないため、固体メモリよりも高密度化に適すると考えられる。また、プローブによる記録再生をＨＤＤのようなディスク装置へ適用することで記録密度１Ｔｂｐｓｉ超級の大容量・超高速ディスク装置を実用化できる可能性がある。
【０００８】
但し、これらの原理をディスク装置やＭＥＭＳメモリに適用する場合には、ヘッドまたはプローブ側から記録媒体側に記録時も再生時も安定に電流を供給する必要がある。この電流供給法としては先ず次の二種類が考えられる。一つは、ヘッド側の電流供給素子となるプローブ電極を記録媒体にオーミック接触させて導電電流を流す方法である。しかし、プローブと媒体とが接触しながら走行する場合には、オーミック接触は、非常に不安定で且つノイズが発生し易いため、メモリ技術への応用は不適切と考えられる。もう一つは、プローブ電極から記録媒体にトンネル電流を流す方法である。この方法では、プローブと記録媒体との距離をオングストローム・オーダーに抑え、記録媒体のどの位置にいても常にこの距離を保つ必要がある。しかし、これは技術困難度が非常に高く、仮にこれが実現できても流せるトンネル電流の量は非常に小さく記録再生には不十分である。従って、トンネル電流の利用も困難と言わざるを得ない。
【０００９】
これに対して、「電界放出型」の電子線は非常に有望な電流供給手段と考えられる。ここで、「電界放出型」とは、プローブ電極の電子放出面において高い電位勾配（電界）を設けることにより直接電子を放出させる形式のものを言う。その電子放出領域は約１０ｎｍまたはそれ以下と極微細であることを特徴とし、その極微細領域を選択的に加熱昇温したり、またはその微細領域に選択的に電流を流すことで情報の記録または再生をすることが可能である。発明者等は、既に、プローブ電極から記録媒体に向けて電界放出による電子線を照射することで記録媒体の微細記録領域に情報を記録する技術を提案している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２５０２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載されているように、電界放出による電子線を利用すると媒体微細領域に十分な量の電流を供給することが可能である。しかし、本発明者達は、下記のような問題点があることを確認している。すなわち、本来、電界放出による電子線は、プローブ直下に放出されるのが理想であるが、プローブ電極が電磁的な外乱を受ける、あるいは媒体表面またはプローブ先端の表面粗さの影響を受けることによって、電子線の照射位置や照射強度が変動し易くなり、その傾向は照射領域の微細化に伴って顕著になる。従って、電界放出型の電子線を超高密度のＭＥＭＳメモリやディスク装置に適用するためには、上記の変動を効果的に抑制し安定な電子線照射を可能とする新技術の登場が持ち望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、記録密度を飛躍的に改善することのできる情報記録再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様による情報記録再生装置は、電界放出により電子を放出する電子放出端を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記電子放出端の周囲に配置され、前記電子放出端から放出された電子を制御する第２の電極と、を有する電極部と、情報の記録または消去時には前記第２の電極に第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に第２の電圧を印加することにより前記電子放出端から記録媒体の記録部に電子を放出させて前記記録部に電流を流す記録回路と、再生時には前記第２の電極に前記第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に前記記録時または前記消去時よりも小さな第３の電圧を印加することにより前記電子放出端から前記記録媒体の前記記録部に再生電流を流す再生回路と、を有し、前記記録部の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を検出する制御部と、を備えていること特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の態様による情報記録再生装置は、電界放出により電子を放出する電子放出端を有する第１の電極と、前記第１の電極の前記電子放出端の周囲に配置され、前記電子放出端から放出された電子を制御する第２の電極とを有する電極部と、偏極スピン制御層および磁気記録層を有する記録媒体の前記偏極スピン制御層に磁界を印加する磁界印加部と、情報の記録または消去時には前記磁界印加部によって前記偏極スピン制御層に磁界を印加して前記偏極スピン制御層の磁化の向きを決定するとともに前記第２の電極に第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に第２の電圧を印加することにより前記電子放出端から電子を放出させて前記偏極スピン制御層を介して前記磁気記録層に記録電流を流す記録回路と、再生時には前記磁界印加部によって前記偏極スピン制御層に磁界を印加して前記偏極スピン制御層の磁化の向きを設定するとともに前記第２の電極に前記第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に前記記録時または消去時よりも小さな第３の電圧を印加することにより前記電子放出端から前記偏極スピン制御層を介して前記磁気記録層に再生電流を流す再生回路と、を有し、前記磁気記録層の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を電圧変化として検出する制御部と、を備えていること特徴とする。
【００１４】
なお、前記磁界印加部は、磁極と、前記磁極を励磁するコイルとを備えていてもよい。
【００１５】
なお、前記第２の電極は前記磁極であってもよい。
【００１６】
また、本発明の第３の態様による情報記録再生装置は、電界放出により電子を放出する電子放出端を有するとともに磁極となる第１の電極と、前記第１の電極の前記電子放出端の周囲に配置され、前記電子放出端から放出された電子を制御する第２の電極と、を有する電極部と、前記第１の電極に磁界を印加する磁界印加部と、情報の記録または消去時には前記磁界印加部によって前記第１の電極に磁界を印加して前記第１の電極の磁化の向きを設定するとともに前記第２の電極に第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に第２の電圧を印加することにより前記電子放出端からスピン偏極した電子を放出させて記録媒体の磁気記録層に記録電流を流す記録回路と、再生時には前記第２の電極に前記第１の電圧を印加した状態で前記第１の電極に前記記録時または消去時よりも小さな第３の電圧を印加することにより前記電子放出端から前記磁気記録層に再生電流を流す再生回路と、を有し、前記磁気記録層の記録状態の変化に起因する電気抵抗変化を検出する制御部と、を備えていること特徴とする。
【００１７】
なお、前記磁界印加部はコイルであってもよい。
【００１８】
なお、前記第２の電極は、前記第１の電極の周囲を取り囲むように配置された１つの電極であってもよい。
【００１９】
なお、前記第２の電極は、前記第１の電極の周囲を取り囲むように配置された少なくとも２対の電極を有していてもよい。
【００２０】
なお、前記第２の電極は、前記第１の電極を挟むように配置された１対の電極であってもよい。
【００２１】
なお、前記電極部が複数個アレイ状に配列され、前記電極部それぞれの第１の電極を並列動作させることにより前記記録媒体に同時に多チャンネルの記録、消去または再生を行ってもよい。
【００２２】
なお、前記電極部が複数個アレイ状に配列されるとともに、前記磁界印加部が前記電極部のそれぞれに対応して設けられ、前記電極部それぞれの第１の電極を並列動作させることにより前記記録媒体に同時に多チャンネルの記録、消去または再生を行ってもよい。
【００２３】
なお、前記第１の電極は、実質的に大気圧の気体雰囲気において電子を放出し、前記第１の電極と前記記録媒体との間隔が、前記第１の電極から放出される電子の平均自由行程よりも短いことが好ましい。
【００２４】
なお、前記第１の電極の電子放出端と前記記録媒体との間隔をｄ(ｎｍ)、前記電子の１気圧における平均自由行程の最小値をλmin(ｎｍ)、前記気体雰囲気の圧力をＰ(Ｔｏｒｒ)としたときに、ｄ＜λmin×(７６０／Ｐ)  なる条件が満たされることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、記録密度を飛躍的に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００２７】
まず、本発明の実施形態を説明する前に、以下の実施形態による情報記録性再生装置は電界放出型であるので、本発明者達によって明らかになった電界放出型の諸条件、電子線加熱機構について、説明する。
【００２８】
（電界放出型の諸条件、電子線加熱機構）
従来、電子線の利用は真空中で為されるのが常識とされてきたが、プローブと媒体間のスペーシングが数１０ｎｍ以下であること、さらに今後このスペーシングはさらに狭くなること、及び大気圧下における電子の平均自由行程は１５０ｎｍ程度とスペーシングに比較して十分に長いことを考慮すれば、媒体に近接して電子放出源を配置すれば、放出された電子線は無衝突で媒体に照射可能であると言え、通常の大気圧に置かれる磁気記録装置への電子放出源の搭載が可能である。
【００２９】
ここで、電子の平均自由行程は、ガスの種類と電子のエネルギーに依存するが、空気の主要構成成分の一つである窒素の場合、電子エネルギーが２ｅＶ程度で最も平均自由行程は短くなる。この２ｅＶのエネルギーを有する電子の大気圧窒素中での平均自由行程が１５０ｎｍである。また、空気のもう一つの主要構成元素である酸素の場合、電子エネルギーが２０ｅＶ程度の時に最も平均自由行程が短いが、この時の平均自由行程は３００ｎｍ程度と前記スペーシングに比較すると十分に長い。
【００３０】
さらに、減圧雰囲気を用いれば、電子線が媒体に入射するまでの衝突確率はさらに低いと言える。又、不活性ガス雰囲気を用いる形態では、ドライ窒素の場合は前記した通り、電子の平均自由行程は短くとも１５０ｎｍ程度であり、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなどの希ガスを用いる場合には、１気圧下での電子の平均自由行程の最小値は各々のガスに対して、１０００ｎｍ，１６０ｎｍ，１３０ｎｍ，９４ｎｍといずれもスペーシングに比較して十分に長く、電子は殆ど無衝突で媒体に入射可能であることに変わりはない。
【００３１】
また、記録装置の内部を大気圧付近の不活性ガス雰囲気とすると、電子源の寿命をさらに伸ばすために好ましいが、不活性ガスとしてドライ窒素を用いる場合には、前述のように電子の平均自由行程は短くとも１５０ｎｍ程度であり、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなどの希ガスを用いる場合にも、上述のように十分に長い平均自由行程が得られ、いずれの場合も、スペーシングを数１０ｎｍとすれば、本質的には真空中の動作と同等になる。このように、ドライ窒素や希ガス雰囲気を採用して安定した性能を得ることができる。
【００３２】
また、雰囲気の圧力については、大気圧付近であっても良く、あるいは大気圧よりも高くても低くても良い。但し、実用の観点からは実質的な大気圧とすることが便利である。
【００３３】
装置内の圧力をＰ（Ｔｏｒｒ）、１気圧における電子の平均自由行程の最小値をλmin（ｎｍ）、電子放出部と媒体の間隔をｄ（ｎｍ）としたときに、基本的に、次式を満たすことが望ましい。
ｄ＜λmin×（７６０／Ｐ）
ここで、λminの定義は、電子がλminだけ走行した時に、１／ｅ（ｅは自然対数）の確率で無衝突であるものとする。つまり、ｄ＝λmin×（７６０／Ｐ）の条件においては、電子が放出されてから媒体に流入するまでに約６３％の確率で気体分子に衝突することになる。より好ましくは、次式を満たすことが望ましい。
ｄ＜（１／３）×λmin×（７６０／Ｐ）
この条件においては、衝突確率を１／２未満とすることができる。上式の係数（１／３）の代わりに（１／５）を用いると、さらに望ましい。この程度の係数とすると、衝突確率は実用上差し支えない程度の小さい値に抑えることができるからである。
【００３４】
圧力Ｐの範囲は実質的に大気圧であり、上式で表される条件を満足する範囲で、且つその下限は実用的な装置が可能であるか否かにより決定することができる。装置内部の圧力が大気圧と異なる場合、あるいは大気圧でも、大気とは異なるガスを充填する場合には、密閉型の筺体が必要とされる。
【００３５】
密閉型の筐体を用いる場合、筐体の機械的強度が圧力Ｐの下限を決定する場合がある。従来の真空中の電子線記録装置の場合には、筐体に１ｋｇ／ｃｍ２もの圧力がかかるため、その機械的強度を十分にすることが容易でなく、また、真空状態を維持することも容易でない。
【００３６】
これに対して、圧力Ｐの下限は、実用的に許容される加重と真空封じ方式により決定することができる。これは筐体の設計事項であるので一概に数値を固定できないが、常識的な下限値としては、０．５気圧程度を挙げることができる。この圧力以上であれば、筐体にかかる圧力は０．５ｋｇ／ｃｍ２程度であり、密閉度も例えば、アルミサッシの窓材と同程度の簡便なものでよい。
【００３７】
圧力Ｐの上限値は、基本的には、上述の式で規定されるが、下限値と同様の考え方から、実用的な上限値は２気圧程度である。本明細書に記される「実質的に大気圧」の意義は、上述の通りである。
【００３８】
一方、電界放出型電子源の電子放出領域のサイズは、印加電界と放出源の形状に依存するが、１０６Ｖ／ｃｍ〜１０７Ｖ／ｃｍの電界、選択エッチングもしくは先端曲率が数１０ｎｍ以下の先鋭な形状においては、１０ｎｍ程度である。将来の記録セルサイズが数１０ｎｍクラスの情報記録再生装置へ電子放出源を適用することが好適である。放出電流は印加電界に依存するが、１０６Ｖ／ｃｍ〜１０７Ｖ／ｃｍの電界では直径１０ｎｍの領域から１０−６Ａ〜１０−４Ａ程度の放出電流を得ることが可能である。
【００３９】
ここで、放出電流はファウラーノルトハイムの式に従い印加電界強度の二乗にほぼ比例する。従って、例えば３．３×１０７Ｖ／ｃｍの電界強度であれば、１０−３Ａの放出電流を得ることも可能である。１０６Ｖ／ｃｍ〜１０７Ｖ／ｃｍは一見極めて高い値にも見えるが、スペーシングが数１０ｎｍであることを考慮すれば、電子放出源と媒体の間に印加すべき電圧の値としては、高々数Ｖから数１０Ｖであり、情報記録再生装置への適用が十分に可能な値であることが判る。
【００４０】
次に、電子線による媒体加熱のメカニズムについて説明する。１０Ｖの印加電圧（１０ｎｍスペーシング、１０７Ｖ／ｃｍ）で１０−４Ａの放出電流は１０−３Ｗ、３３Ｖの印加電圧（１０ｎｍスペーシング、３．３×１０７Ｖ／ｃｍ）で１０−３Ａの場合には３．３×１０−２Ｗのパワーになる。このパワーが例えば媒体の１０ｎｍ四方の領域に投入される場合、パワー密度は、１０９Ｗ／ｃｍ２あるいは３．３×１０１０Ｗ／ｃｍ２となる。又、ＨＤＤのようなディスク装置における実用的な線速度（トラック方向への媒体の移動速度）として１０ｍ／ｓを用いると、１０ｎｍの加熱領域を媒体が通過する時間は、１ｎｓであるから、媒体の１０ｎｍ四方の領域に投入されるエネルギー密度は、１Ｊ／ｃｍ２あるいは３３Ｊ／ｃｍ２となる。この値が媒体を加熱する上で十分かどうかを次に検討する。
【００４１】
電子線による加熱機構としては、電子線がドブロイ波として振る舞い、媒体を加熱する機構を挙げることができる。ドブロイ波の波長は、電子のエネルギーが１０Ｖの場合に０．４ｎｍ程度、３３Ｖの場合に０．２ｎｍ程度であり、原子のサイズと同等であるので、格子振動（加熱）を起させることができる。または、このようなエネルギーを有する電子線が媒体に入射してプラズモンを振動励起し、プラズモン振動した電子・正孔対が再結合する際に放出するエネルギーをフォノン即ち格子に与え、格子振動即ち熱を誘起するメカニズムも推定される。
【００４２】
加熱に必要なパワー密度、エネルギー密度は、光ディスクのそれらと同等に捉えることができるので、光ディスクで用いられているパワー密度もしくは投入エネルギー密度と比較して上記エネルギー密度の値１０９Ｗ／ｃｍ２あるいは３．３×１０１０Ｗ／ｃｍ２もしくは１Ｊ／ｃｍ２あるいは３３Ｊ／ｃｍ２が投入エネルギー密度と同等以上であれば、媒体を十分に加熱できると言える。例えば、通常の相変化ディスクにおいては、線速度６ｍ／ｓ、光スポットの全半値幅０．６μｍ、記録パワー１０ｍＷで媒体をその融点（６００℃）以上に加熱できる。媒体が光スポットの全半値幅を通過する時間は１００ｎｓ、スポット面積は０．２８×１０−８ｃｍ２であるから、パワー密度としては、３．５×１０６Ｗ／ｃｍ２、エネルギー密度としては０．３５Ｊ／ｃｍ２である。従って、１Ｊ／ｃｍ２のプラズモン励起による媒体加熱は十分に可能と判断できる。プラズマ振動に重畳する加熱機構は電子線が媒体中を通電してジュール加熱する機構である。この場合はジュール熱を上記光ディスクのパワー密度と比較すれば良い。媒体の１０ｎｍ四方の領域に膜厚方向に１０−４Ａあるいは１０−３Ａ通電した場合の加熱パワーはＲ×１０−８ＷあるいはＲ×１０−６Ｗである。ここでＲは媒体の抵抗である。磁気媒体もしくは光磁気記録媒体に用いられる磁性膜の比抵抗は、５×１０−６Ωｃｍ〜６×１０−６Ωｃｍ、電流パスの面積は１０−１２ｃｍ２（１０ｎｍ四方）、電流パスの長さ即ち磁性膜厚を２×１０−６ｃｍ（２０ｎｍ）とすると、Ｒは１０Ω程度となる。従って加熱パワーは１０−７Ｗあるいは１０−５Ｗ、これを加熱面積（１０−１２ｃｍ２）で割ると１０５Ｗ／ｃｍ２あるいは１０７Ｗ／ｃｍ２が得られる。通電時間は電子線の照射時間とは異なるので、ジュール加熱の機構で考える場合には、エネルギー密度ではなくパワー密度で比較すれば良い。従って１０−４Ａでは若干不足するが、１０−３Ａでは十分なジュール加熱が起こるものと判断できる。
【００４３】
実際には、プラズマ振動励起を介して媒体が加熱する過程と、通電によるジュール加熱が共存するが、上記したようにいずれの過程でもパワー密度、エネルギー密度的に十分なので、加熱のメカニズムはどちらでも良い。
【００４４】
通常の情報記録再生装置（磁気ディスク装置など）は、内部雰囲気が大気であるが、酸素や水が存在する雰囲気中で電子線を用いようとする場合、電子の平均自由行程以外にもう一つ考慮しなければならないのは、電子放出源の寿命である。大気圧下では電子放出源に空気分子あるいは空気中の水分子が吸着して電子放出源の寿命を損ねる可能性がある。近年、開発が活発に進められている電界放出型電子線源は、従来の熱放出型電子線源、光電子放出型電子線源とは異なり、吸着分子に対する耐久性が格段に高く、特に炭素（Ｃ）を電子放出源とする場合、酸化の影響は少ないが、実用的な寿命を確保する上では、エミッター近傍のガス雰囲気、特に酸素、水及びそれらの解離種の密度と、それらのエミッターへの入射頻度を低く抑える必要がある。
【００４５】
本発明者達は、主にＳＴＭ（scanning tunneling microscopy）のエミッターを用いた実験結果から、安定して電界放出電流を得る為に必要なエミッター周辺雰囲気を見出した。エミッター周辺雰囲気がどんな状態であるべきかは、エミッター材料に依存するが、表面酸化膜が容易に形成されるシリコン（Ｓｉ）を用いた場合においても、エミッター周辺雰囲気中の酸素分子密度をＸ（ｍｏｌｓ／ｃｍ３）、エミッターからの放出電子電流密度をＪ（Ａ／ｃｍ２）とおく時、Ｊ≧１０４においてＸ≦１．２５×１０１２×Ｊを満足していれば、安定して電子を放出することが可能なことを本発明者達は見出した。Ｊの範囲限定の意味は、媒体を有意に加熱するに必要なＪの範囲を示しているもので、有意な加熱が起こらない程度の放出電流、もしくはエミッター動作停止時には、ＸとＪの関係を規定しても全く意味をなさない。
【００４６】
エミッター停止時は、エミッター表面に自然酸化層が形成されるか、物理吸着層が形成されるが、上記条件式を満たせば、これらの層は次のエミッター動作によって容易に脱離する。Ｘ，Ｊの上記関係の規定は、あくまで媒体を有意に加熱し得る放出電流動作をしている際に、エミッター先端が酸素にアタックされて劣化しない為の条件を提供するものである。Ｘ，Ｊの関係式は物理的には、エミッターから１００個の電子が放出される間に一個の酸素分子がエミッター表面に流入することを意味しており、この程度の流入量であれば、電子放出によるエミッター表面の加熱などによって、流入酸素は再脱離し、エミッター表面を劣化することが無いことを実験的に見出した結果である。
【００４７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による情報記録再生装置を図１乃至図９を参照して説明する。本実施形態の情報記録再生装置の断面を図１に示し、本実施形態の情報記録再生装置の媒体対向面側から見た平面図を図２に示す。本実施形態の情報記録再生装置はヘッド部１０を有している。ヘッド部１０は、電解放出による電子線４０を放出する第１の電極１１と、第１の電極１１の電子放出端から記録媒体２０に安定に電子を放出するために上記電子放出端の周囲に第１の電極１１を取り囲むように配置された第２の電極１２と、ヘッドスライダー１３とを備えている。第１の電極１１と第２の電極１２とは絶縁体１４によって電気的に絶縁されている。第１の電極１１は記録消去再生制御回路３０に接続されている。
【００４８】
ヘッドスライダー１３の媒体対向面１５側に記録媒体２０が配置される。記録媒体２０は、例えばＳｉ等からなる媒体基板２１と、媒体基板２１のヘッドスライダー１３側に設けられた記録層２２と、記録層２２上に設けられ記録層２２を保護する媒体保護層２３と、媒体基板２１のヘッドスライダー１３と反対側に設けられた導電層２９とを備えている。導電層２９は電気的に接地されている。記録層２２は、カルコゲン化合物、ペブロスカイト系材料、スピネル系材料、磁性材料のいずれかから選択された材料からなっている。
【００４９】
一方、第１の電極１１は、Ｍｏ，Ｗ，Ｔａなどの高融点金属、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、Ｃ（カーボン）等を用いることができる。大気中で安定した電子放出寿命を得る上ではＣを用いるのが好適であり、特にカーボンナノチューブを用いることがより好適である。また、第１の電極１１の形状は基本的には針状が好ましい。例えば、図３に示すように円錐形状（断面が三角形）、または図４に示すように円柱または直方体形状（断面が長方形）であってもよい。第１の電極１１の電子放出端の媒体対向面１５から見た形状は、円形、楕円、矩形のいずれでもよい。重要なのは、先端部を１０ｎｍ程度に先鋭化することである。実施に際しては、電子放出源の先端の電界強度が重要なので、ヘッド１０を浮上動作すると浮上量変動が電界強度の変動となって好ましくない。そのため、ヘッド支持部材であるスライダー１３の形状を接触パッド型にして接触動作を可能とするとよい。接触動作の場合には、浮上量変動は無く、ヘッド１０と記録媒体２０との間には荷重変動が作用する。そして、ヘッド１０の摺動面となる媒体対向面１５には図３および図４に示すように、ヘッド１０の保護を目的として極薄、例えば５ｎｍ程度のＤＬＣ（diamond-like carbon）膜１７を被覆するとよい。なお、記録媒体２０は、図１に示していないが、保護膜２３上に潤滑層を設けることが望ましい。
【００５０】
次に、本実施形態の情報記録再生装置の記録・消去・再生の方法を説明する。なお、記録制御再生制御回路３０は、図１に示すように、選択トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、記録回路３３ａ、消去回路３３ｂ、再生回路３３ｃと、を備えている。選択トランジスタ３１ａの一端は第１の電極１１に接続され、他端が記録回路３３ａに接続されている。選択トランジスタ３１ｂの一端は第１の電極１１に接続され、他端が消去回路３３ｂに接続されている。また、選択トランジスタ３１ｃの一端は第１の電極１１に接続され、他端が再生回路３３ｃに接続されている。選択トランジスタ３１ａ、３１ｂ、３１ｃのゲートに印加する電圧を制御することによって、記録回路３３ａ、消去回路３３ｂ、再生回路３３ｃのいずれかを選択し、記録、消去、再生動作を行う。
【００５１】
記録回路３３ａ、消去回路３３ｂは、図２７に示すように、一端が−Ｖの電位を有する電源に接続され、他端が選択トランジスタ３１ａまたは３１ｂに接続されたトランジスタ３４を備えている。トランジスタ３４のゲートに電圧を印加することにより、記録回路３３ａの場合は記録電流ＩＷが流れ、消去回路３３ｂの場合は消去電流ＩＥが流れる。
【００５２】
また、再生回路は図２８に示すように、一端が−Ｖの電位を有する電源に接続され、他端が選択トランジスタ３１ｃに接続されたトランジスタ３５と、トランジスタ３５と、選択トランジスタ３１ｃの接続ノードからの電位ＶＩＮが入力端の一方に入力されるセンスアンプ３６とを備えている。なお、センスアンプ３６の入力端の他方には基準電圧ＶＲＥＦが入力される。
【００５３】
先ず、記録する場合は、第１の電極１１の電子放出端から電子線４０を電界放出するために、記録消去再生制御回路３０の選択トランジスタ３１ａを選択するとともに、記録回路３３ａのトランジスタ３４をオンにすることによって第１の電極１１に所定の負電圧を印加する。この際、電子線４０が第１の電極１１の直下から記録媒体２０上の所定位置に安定に放射されるように配置された第２の電極１２に所定電圧（図１においては第１の電極１１に印加される負電圧と異なる負電圧）を印加して電子線４０に制動を掛ける。すると第１の電極１１から記録媒体２０に電子線４０が照射され、記録媒体２０の記録層２２の記録部に記録電流４１が流れる。この記録電流４１により記録媒体２０の記録層２２の記録部を加熱昇温することで、記録層２２の記録部の物理的特性が変化して情報の記録が実行される。記録層２２が例えばＧｅＳｂＴｅ等のカルコゲン化合物（以下、初期状態として非晶質）の場合は、加熱昇温により記録層２２に相変化（非結晶から結晶へ変化）が生じて情報の記録が実行される。
【００５４】
消去時は、記録消去再生制御回路３０の選択トランジスタ３１ｂを選択するとともに、消去回路３３ｂのトランジスタ３４をオンにすることによって記録時の第１の電極１１に印加する電圧値と、その印加履歴とを変えることによって、記録時とは逆に結晶から非結晶へ相変化することで情報の消去が行われる。
【００５５】
再生時は、第２の電極１２に所定の電圧を印加しながら記録時または消去時よりも小さな電圧（記録部が相変化しない程度の電圧）を第１の電極１１に印加する。このとき、選択トランジスタ３１ｃが選択されるとともに再生回路３３ｃのトランジスタ３５がオンにされる。すると、第１の電極１１から放出された電子線４０が第２の電極１２からの電界の影響により制動力を受け、記録層２２の記録部に正確に電子線４０が照射される。その結果、記録層２２の記録部に電流が流れ、第1の電極１１と記録媒体２０とが相対的に運動すると、記録の有無により記録層２２の電気抵抗が大きく変化するため、その変化を電圧変化として記録消去再生制御回路３０によって検出することにより記録部のサイズが１０ｎｍ程度でも高いＳＮ比をもって記録信号の再生が可能となる。なお、記録層２２の電気抵抗は、記録時と消去時とでは３桁〜５桁ほど変化する。
【００５６】
また、第２の電極１２の形状、材料、配置位置、さらに第２の電極１２に印加する電圧の符号や大きさ等は、電子線４０が安定に放出される限り、必要に応じて適宜如何様に変更しても構わないことは言うまでもない。さらに、場合によっては、第２の電極１２と第１の電極１１との間の距離、そして第２の電極１２と記録媒体２０との間の距離や第２の電極に印加する電圧の符号と大きさを最適化することにより、第２の電極１２と、第１の電極１１および記録媒体２０との間に不要の電子線が放出されないようにすることも必要である。
【００５７】
また、本実施形態の前に説明した電界放出型の諸条件から明らかなように、効果的に電子線を電界放出するためには、第１の電極１１は、実質的に大気圧の気体雰囲気において電子を放出し、第１の電極１１と記録媒体２０との間隔が、第１の電極１１の電子放出端から放出される電子の平均自由行程よりも短いことが好ましい。さらに詳細には、第１の電極１１の電子放出端と記録媒体２０との間隔をｄ(ｎｍ)、電子の１気圧における平均自由行程の最小値をλmin(ｎｍ)、上記気体雰囲気の圧力をＰ(Ｔｏｒｒ)としたときに、
ｄ＜λmin×(７６０／Ｐ)
なる条件が満たされることが好ましい。この条件は、本実施形態ばかりでなく後述する第２乃至第５の実施形態においても満たされることが好ましい。
【００５８】
また、本実施形態においては、第２の電極１２が第１の電極１１の周囲を取り囲むように配置することにより、第１の電極１１から記録媒体２０への電子線４０の電界放出をより安定化していたが、必要に応じては図５に示すように第２の電極１２を分割することにより得られる１対の第２の電極１２ａを第１の電極１１を挟み込むように第１の電極１１の周囲に配置してもよい。また、図６に示すように、第１の電極１１の周囲に少なくとも２対の第２の電極１２ａ、１２ｂを設けてもよい。なお、図５および図６は、記録媒体２０から見た第１および第２の電極を示す図である。図６に示すように、第１の電極１１の周囲に少なくとも２対の第２の電極１２ａ、１２ｂを設けて、各対に異なる電圧を印加することにより、図１に示す場合に比べて記録層２２の記録部への電子線４０の照射をより精密にかつ安定に制御することができる。なお、図５および図６においても、第１の電極１１と第２の電極１２ａ、１２ｂとは絶縁体１４によって電気的に絶縁されている。また、図５または図６に示す第１および第２の電極との関係は、本実施形態ばかりでなく後述する第２乃至第５の実施形態においても満たされていてもよい。
【００５９】
電界放出による電子線４０は、図７に示すように、プローブ電極（第１の電極）１１の直下に放出されることが望ましいが、図８に示すように、プローブ電極１１が電磁的な外乱２００を受けたり、記録媒体２０の表面またはプローブ電極１１の先端の表面粗さの影響を受けることによって、電子線４０の照射位置や照射強度が変動し易くなる。そこで、本実施形態においては、図９に示すように、第１の電極１１の周囲に電子線４０を制御する第２の電極１２を設けることにより、電磁的な外乱２００等を受けた場合でも記録媒体２０の記録部への電子線４０の照射位置および照射強度の変動を抑制することが可能となる。これにより、照射領域が微細化しても安定な電子線照射を行うことができるので高いＳＮ比をもって記録信号の再生が可能となり、記録密度を飛躍的に改善することができる。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による情報記録再生装置の断面を図１０に示す。図１に示す第１実施形態の情報記録再生装置に用いられる記録媒体２０は、記録層２２として相変化材料等を使用していたが、本実施形態の情報記録再生装置に用いられる記録媒体２０は、記録層として磁性体を用いたものである。このため、本実施形態の情報記録再生装置は、第１実施形態の情報記録再生装置において、ヘッド１０に磁界印加部６０を新たに設けた構成となっている。磁界印加部６０は磁極６１と、電流磁界により磁極６１を励磁するコイル６２とを備えている。また、本実施形態においては、図１に示す記録消去再生制御回路３０を記録再生制御回路３０Ａに置き換えた構成となっている。記録再生制御回路３０Ａは図１に示す記録消去再生制御回路３０の記録回路と再生回路とを備えている。
【００６１】
一方、本実施形態に用いられる記録媒体２０は、媒体基板２１の裏面に設けられ電気的に接地された電極層２９と、媒体基板２１の表面上に設けられた磁気記録層２６と、この磁気記録層２６上に設けられた非磁性中間層２５と、この非磁性中間層２５上に設けられた偏極スピン制御層２４と、この偏極スピン制御層２４上に設けられた保護層２３と、この保護層２３上に設けられた潤滑層（図示せず）とを有している。この記録媒体２０の偏極スピン制御層２４側に、電子照射手段としての第１の電極１１が設けられている。情報の記録再生のために十分な量の電子線を放出するためには、第1の電極１１と磁気記録媒体２０とは１０ｎｍ程度離してある。
【００６２】
本実施形態による情報記録再生装置の基本動作は、第１実施形態で説明したと同様に、第１の電極（プローブ電極）１１を取り囲むように設けた第２の電極１２に所定電圧を印加した状態で、記録再生制御回路３０Ａによって第１の電極１１に電圧を印加することにより第１の電極１１の電子放出端から放出される電子線に制動力を掛け、第1の電極１１から磁気記録媒体２０に安定な電子線４０を照射する。これにより磁気記録媒体２０に供給された電流を偏極スピン制御層２４を通過させることでスピン偏極電流４１に変え、そのスピン偏極電流４１を用いて磁気記録層２５の磁化を反転させることにより記録する。記録する磁化の方向は、偏極スピン制御層２４をヘッド１０に設けた磁界印加部６０からの磁界でコントロールする。再生時には、偏極スピン制御層２４の磁化と磁気記録層２６の磁化との相対角度による磁気抵抗効果（GMR：Giant Magnetoresistance Effect、TMR：Tunneling Magnetoresistance Effect、BMR：Ballistic Magnetoresistance Effect）を利用して記録消去再生制御回路３０によって再生する。
【００６３】
以下、本実施形態の情報記録再生装置の記録再生原理を、図１１乃至図２３を参照して詳細に説明する。
【００６４】
まず情報の記録を行う場合を説明する。初期状態にあるときの記録媒体２０を含む情報記録再生装置の断面を図１１に示す。この初期状態では、磁気記録層２６の磁化はすべて上向き方向を向いている。このとき偏極スピン制御層２４の磁化方向は特に定められていない。
【００６５】
続いて図１２に示すように、記録再生制御回路３０Ａによって磁界印加部６０から下向きの磁界６５を発生させ、偏極スピン制御層２４の磁化を下向きに磁化させる。磁界６５の印加されている領域は図１２上では一点差線の範囲内で、記録ビットとして４ビット分である。磁界印加部６０からの磁界６５は磁気記録層２６の磁化には影響を及ぼさない。
【００６６】
偏極スピン制御層２４の磁化を下向きに磁化させている状態で、図１３に示すように、記録再生制御回路３０Ａによって第1の電極１１に電圧を印加することにより第１の電極１１から記録媒体２０に向けて電子４３を供給する。供給された電子４３は、偏極スピン制御層２４により特定の方向（図１３では下向き）にスピン偏極される。そして、このスピン偏極された電子４３が磁気記録層２６の１ビットの記録部２６ａを通過する際に、磁気記録層２６の記録部２６ａの磁化Ｍの向きを、電子のスピン偏極した向きに応じた向きにする。
【００６７】
続いて、図１４に示すように、記録部２６ａの次の記録部２６ｂに書き込むために磁界印加部６０と第1の電極１１を移動させる。図１４上では磁界印加部６０と第1の電極１１を移動させているが、磁気記録媒体２０を移動させてもよい。
【００６８】
次に、記録部２６ｂに磁化の向きが上向きの情報を書き込むために、図１５に示すように、上向きの磁界を磁界印加部６０から発生させ、偏極スピン制御層２４の磁化を上向きにする。この状態で、図１６に示すように、記録再生制御回路３０Ａによって第1の電極１１に電圧を印加し、第１の電極１１から記録媒体２０に向けて電子４３を供給すると、この供給された電子４３は、偏極スピン制御層２４によって上向きにスピン偏極され、このスピン偏極された電子が磁気記録層２６を通過する際に磁気記録層２６の磁化の向きを上向きにする。
【００６９】
つまり、磁気記録媒体１０に用いられる偏極スピン制御層２４は、第1の電極１１から供給される電流４３を、スピン偏極した電流に変換する作用を有する。そして、このスピン偏極した電流がある閾値より大きくなったとき、磁気記録層１２の磁化を反転させることができる。この閾値は、異方性磁界Ｈｋに依存し、外部磁界Ｈと飽和磁化Ｍｓにも依存する。
【００７０】
図１７は、磁気記録層２６の理想的な電流−磁化曲線を表すグラフである。すなわち、同図の横軸は、磁気記録層２６に供給されるスピン偏極電流Ｉを表し、縦軸は、記録層の磁化Ｍを表す。同図から分かるように、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer（振動試料型磁力計））などで測定した通常の強磁性体のＭ−Ｈカーブと同様の振舞いを示す。つまり、スピン偏極電流Ｉがある閾値を超えると、磁化Ｍが生ずる。一方、この電流閾値は、外部磁界に依存する。つまり、図１７に例示した電流−磁化曲線は、外部磁界により横軸方向にシフトする。
【００７１】
図１８は、外部磁界Ｈを印加した状態での磁気記録層２６の電流−磁化曲線を例示するグラフ図である。すなわち、同図の横軸は、磁気記録層２６に供給されるスピン偏極電流Ｉを表し、縦軸は、記録層の磁化Ｍを表す。同図から分かるように、磁気記録層２６に磁化Ｍを生ずるためのスピン偏極電流の閾値は、外部磁界Ｈによってコントロールすることができる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態においては、磁界印加部６０からの磁界により、偏極スピン制御層２４におけるスピン偏極の方向が制御される。そして、第1の電極１１から供給された電子のスピンは、偏極スピン制御層２４を通過する際に、そのスピン偏極の方向に偏極され、磁気記録層２６に供給されてそのスピンの向きに応じた磁化Ｍを書き込む。その後、この書き込み電流は電極層２９を介してアースに流れる。またこの際に、図１８に関して説明したように、磁界印加部６０からの外部磁界によって、磁気記録層２６のスピン偏極電流の書き込み閾値を制御することも可能である。
【００７３】
本実施形態によれば、磁界印加部６０から発生する磁界は、特に微小範囲に制限する必要はなく、第1の電極１１の微小な電子放出端から供給される局所的な電流により、磁気記録層２６の極めて微小な範囲のみに書き込みを行うことができる。つまり、従来と比較して、飛躍的に記録密度を高めた超高密度磁気記録が可能となる。
【００７４】
また一方、このように記録した情報の読み出しは、磁気抵抗効果を利用して行うことができる。すなわち、磁気記録層２６と偏極スピン制御層２４との間の抵抗を測定する。磁気記録層２６の磁化方向と偏極スピン制御層２４の磁化方向が平行の場合（磁化が同じ向きの場合）には抵抗が低く、両者の磁化が反平行の場合（磁化の向きが１８０度異なる場合）には抵抗が高い。
【００７５】
そして偏極スピン制御層２４の磁化方向は、磁界印加部６０により所定の方向に制御することが可能となるので、記録再生制御回路３０Ａによって電流を流して抵抗変化を検出することにより磁気記録層２６の磁化方向が分かる。ここで、読み出し時（再生時）の電流は書き込み時の電流より小さくなければならない。これは、再生時に第1の電極１１に印加する電圧の大きさを記録・消去時よりも小さくすることで第１の電極１１の電子放出端から放出される電子線の量を減らすことにより、可能となる。もし、読み出し時の電流が書き込み時より大きいと記録層２６の磁化が反転し、情報を失ってしまうからである。したがって、本実施形態においては、再生時においても、磁界印加部６０によって偏極スピン制御層２４に磁界を印加する必要がある。
【００７６】
以下、本実施形態において用いられる磁気記録媒体２０、第1の電極１１、第２の電極、磁界印加部６０のそれぞれについて詳述する。
【００７７】
まず、磁気記録媒体２０について説明する。磁気記録媒体２０は、図１０に例示した基本的な構成要素の他にも、必要に応じて、磁気記録層２６などの性能（結晶構造や配向特性など）を制御するための下地層（図示せず）を設けてもよい。また、図１０にも図示するように必要に応じて、磁気記録層２６や偏極スピン制御層２４の上に、カーボン（Ｃ）やＳｉＯ２などからなる保護層２３を設けてもよい。
【００７８】
また、磁気記録媒体２０は、面内方向に亘って複数の領域に分離された構造としてもよい。図１９は、このように分離された記録媒体を表す模式図である。すなわち、同図に例示した磁気記録媒体２０は、電気的に接地された基板２１の上に設けられた磁気記録層２６、非磁性中間層２５、偏極スピン制御層２４が、それぞれ分離領域２７により複数の独立した部分に分割されている。分離領域２７は、非磁性あるいは電気的絶縁性を有する材料により形成することができる。
【００７９】
このように、分離領域２７により、媒体を複数の部分に分割すると、記録ビットサイズを確実に規定することが可能となり、記録領域の「はみ出し」、あるいはクロストーク（cross-talk）、クロスイレーズ（cross-erase）などの発生を抑制できる。
【００８０】
また、このような分離領域２７は、必ずしも磁気記録層２６、非磁性中間層２５、偏極スピン制御層２４の全体を分割する必要はない。例えば、図２０に例示した磁気記録媒体２０の場合、磁気記録層２６のみが分離領域２７によって複数の独立した部分に分割されている。この場合にも、分離領域２７は、非磁性あるいは電気的絶縁性を有する材料により形成することができ、記録ビットサイズを正確に規定できるという効果が得られる。同様に、分離領域２７を非磁性中間層２５のみ、あるいは偏極スピン制御層２４のみに設けても、電流狭窄作用などを利用した記録ビット領域のサイズの規定が可能となる。
【００８１】
以上説明したいずれの磁気記録媒体においても、磁気記録層２６に用いられる磁性粒子の材料は、磁気異方性が大きいものが適している。この観点から、磁性金属材料として、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群より選択される磁性元素と、白金（Ｐｔ）、サマリウム（Ｓｍ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ビスマス（Ｂｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群より選択される金属との合金を用いることが好ましい。
【００８２】
特に、結晶磁気異方性の大きいコバルト（Ｃｏ）基合金、特にＣｏＰｔ、ＳｍＣｏ、ＣｏＣｒをベースとしたものや、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔなどの規則合金がより好ましい。具体的には、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｐｔ、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ３Ｐｔなどが挙げられる。
【００８３】
また、磁性材料として、Ｔｂ−Ｆｅ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどの希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）合金、磁性層と貴金属層との多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄなど）、ＰｔＭｎＳｂなどの半金属、Ｃｏフェライト、Ｂａフェライトなどの磁性酸化物などを用いることもできる。
【００８４】
さらに、上述した磁性材料の磁気磁性を向上させるために、例えば銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ボロン（Ｂ）など、またはこれらの元素と、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）の中から選ばれる少なくとも１種の元素との化合物を添加してもよい。
【００８５】
磁気異方性に関しては、従来のＨＤＤ(Hard Disk Drive)で用いられてきた面内磁気異方性でも、光磁気記録で用いられてきた垂直磁気異方性でも、両者が混合されたものでも構わない。磁気異方性定数に関しては、熱揺らぎ限界を打破するために大きな磁気異方性定数を有する記録層を用いる。さらに、磁気ヘッドからの磁界に影響されない程度のＨｃを有する必要もある。
【００８６】
磁気記録層２６として、例えば、複数の磁性粒子と、これら磁性粒子の間を埋める非磁性体とを有し、磁性粒子が非磁性体中に分散された構造を用いても構わない。
【００８７】
磁性粒子を非磁性体により分断する方法は、特に限定されない。例えば、磁性材料に非磁性元素を添加して成膜し、磁性粒子の粒間にクロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ボロン（Ｂ）、酸化物（ＳｉＯ２など）、窒化物などの非磁性体を析出させる方法を用いてもよい。
【００８８】
また、リソグラフィー技術を利用して非磁性体に微細な孔を形成し、その孔に磁性粒子を埋め込む方法を用いてもよい。あるいは、ＰＳ−ＰＭＭＡなどのジブロックコポリマーを自己組織化させて一方のポリマーを除去し、他方のポリマーをマスクとして非磁性体に微細な孔を形成し、孔に磁性粒子を埋め込む方法を用いてもよい。また、粒子線照射によって加工する方法を用いてもよい。
【００８９】
磁気記録層２６の厚さは特に制限されないが、高密度記録を可能とし、電流を流すことを考慮すると、１００ｎｍ以上の厚い膜は好ましくない。ただし、磁気記録層２６の厚さを０．１ｎｍ以下にしようとすると、膜を形成するのが困難になる場合が多いので、用いる成膜技術にも応じて適宜決定する必要がある。
【００９０】
必要に応じて設けられる下地層（図示せず）は、磁性体でも非磁性体でもよい。下地層の厚さは特に限定されないが、５００ｎｍよりも厚いと製造コストが増加するので好ましくない。
【００９１】
非磁性の下地層は、磁気記録層２６の磁性体または非磁性体の結晶構造を制御する目的、または基板からの不純物の混入を防ぐ目的で設けられる。例えば、磁性体に対して要求される結晶配向の格子間隔に近い格子間隔を有する下地層を用いれば、磁性体の結晶配向を制御することができる。また、適切な表面エネルギーを有するアモルファス下地層を用いることにより、磁気記録層２６の磁性体または非磁性体の結晶性またはアモルファス性を制御することもできる。
【００９２】
下地層の下にさらに別の機能を有する下地層を設けてもよい。この場合、２つの下地層で機能を分担できるので、所望の効果の制御が容易になる。例えば、磁気記録層２６の結晶粒を小さくする目的で、基板上に粒径の小さいシード層を設け、その上に記録層の結晶性を制御する下地層を設ける手法が知られている。基板からの不純物の混入を防ぐためには、下地層として格子間隔が小さいかまたは緻密な薄膜を用いることが好ましい。
【００９３】
偏極スピン制御層２４は、第1の電極１１から供給される電流を、磁気記録層２６に記録すべき磁化Ｍの方向のスピン偏極電流に変換する役割を有する。磁化Ｍの方向、すなわち偏極スピン制御層２４のスピン偏極の方向は、磁界印加部６０からの磁界によって制御することができる。したがって、偏極スピン制御層２４は、磁界印加部６０からの磁界に素早く応答することができる軟磁性で構成されていることが望ましい。また、スピン偏極を確実に行うため、偏極スピン制御層２４は、スピン偏極度の高い材料により形成されることが望ましい。ここで、スピン偏極度Ｐは、フェルミエネルギーにおけるアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度の差であり、次式により表される。
Ｐ＝（Ｄ（↓）−Ｄ（↑））／（Ｄ（↓）＋Ｄ（↑））
ここで、Ｄ（↑）とＤ（↓）は、アップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度をそれぞれ表す。
【００９４】
このスピン偏極度Ｐの最も大きな材料としては、「ハーフメタル」と呼ばれる物質が知られており、そのスピン偏極度は１．０である。すなわち、図２１に示すようにダウンスピン電子のみが、フェルミエネルギー付近で状態密度を有する。ハーフメタル性を示す材料として知られているのは、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれからなるペロブスカイト型構造強磁性酸化物、ルチル型構造強磁性酸化物、スピネル型強磁性酸化物、パイロクロア型強磁性酸化物、少なくともチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から選ばれる材料を含む磁性半導体薄膜などである。これらの材料を偏極スピン制御層２４に用いることができる。その他に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体や、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）を少なくとも一つ含む合金も、有限のスピン偏極度Ｐを示すことから偏極スピン制御層２４に用いることができる。
【００９５】
偏極スピン制御層２４の厚さは特に制限されないが、高密度記録を達成し、且つ電流を垂直方向に流すことを考慮すると、１００ｎｍ以上の厚い膜は好ましくない。ただし、偏極スピン制御層２４の厚さを０．１ｎｍ以下にしようとすると膜を形成するのが容易でないので、成膜技術も勘案して適宜決定する必要がある。また、偏極スピン制御層２４に関しては、例えば、複数の磁性粒子と磁性粒子の間を埋める絶縁体とを有し、磁性粒子が絶縁体中に分散されて配置された構造を用いても構わない。このような構造にすると、膜面に対して垂直方向の電流が面内方向に拡散することを防ぐことができる。
【００９６】
非磁性中間層２５は、偏極スピン制御層２４の磁化と磁気記録層２６の磁化とが交換結合することを防ぐ目的で設けられる。交換結合の大きさは、その間の距離が離れると減衰することが知られている。この観点からすると、厚い方が好ましいが、スピン偏極電流により磁気記録層２６に記録を行うことを考えると、スピン偏極電流の偏極方向が保存されなければならないので、その材料の平均自由行程より短くならなければならない。例えば、非磁性中間層２５を銅（Ｃｕ）で構成した場合、銅（Ｃｕ）の平均自由行程は１０ｎｍ程度であり、交換結合は３ｎｍ以上にすれば無視できる範囲になるので、銅（Ｃｕ）を利用した非磁性中間層２５の厚さとして、３ｎｍから１０ｎｍの範囲内にあることが好ましい、ということになる。
【００９７】
磁気記録媒体２０の微細な記録領域に対して安定に電流を流す手段としては、ヘッド部１０に配置した導体あるいは半導体からなる第1の電極１１の周囲に配置した導体からなる第２の電極１２に所定電圧を印加した状態で、第１の電極１１から電界放出により電子を照射するとよい。第２の電極１２の形状、配置そして印加電圧を適宜選択することにより上記電子に適切な制動力が働くために、電磁的外乱の影響等を受けても、記録媒体２０上の所望の照射位置に一定の強度で電子線を照射することが可能となる。
【００９８】
この場合のプローブ電極（第１の電極）としては、金属や半導体などからなる針状あるいは先端に突起を有するものを用いることができる。また例えば、「カーボンナノチューブ」などの微細な構造体を利用することもできる。
【００９９】
磁気記録媒体２０に対して磁界を印加する手段は、今後ＨＤＤで用いられると予想される接触式のスライダーの端面に誘導コイルと磁極を含む磁気回路を有するものでもよいし、永久磁石を設置してもよいし、媒体に磁性層を追加して温度分布または光照射によって磁化分布を生じさせ瞬間的・局所的な磁界を発生させてもよいし、情報の記録を行う磁性層自身から発生する漏洩磁界を利用してもよい。
【０１００】
永久磁石を設置する場合には、磁気記録媒体２０との距離を可変にするか、磁石を微細化するなどの工夫によって、高速・高密度の磁界印加ができるようになる。
【０１０１】
（実施例）
以下に、本実施形態による磁気記録再生装置の実施例を詳細に説明する。
【０１０２】
図２２は、本実施例の構成を示す断面図である。すなわち、偏極スピン制御層２４としてルチル型構造を示す酸化クロム（ＣｒＯ２）を、磁気記録層２６としてコバルト白金（ＣｏＰｔ）を、非磁性中間層２５として銅（Ｃｕ）を、電極層２９として金（Ａｕ）をそれぞれ用いて記録媒体２０を作製した。なお、磁気記録層２６の分離領域２７の材料としてＳｉＯ２を用いた。
【０１０３】
まず、ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板２１の裏側に金（Ａｕ）電極層２９を形成した。次に、シリコン基板２１の上にコバルト白金（ＣｏＰｔ）からなる磁気記録層２６を形成し、この磁気記録層２６上に銅（Ｃｕ）を成長させ非磁性中間層２５を形成した。さらに、非磁性中間層２５上に酸化クロム（ＣｒＯ２）からなる偏極スピン制御層２４を形成した。コバルト白金（ＣｏＰｔ）の厚さは約２０ｎｍ、銅（Ｃｕ）は５ｎｍ、酸化クロム（ＣｒＯ２）は１０ｎｍとした。
【０１０４】
次に、シリコン（Ｓｉ）からなる短針の表面を金（Ａｕ）でコートしたものを第1の電極１１（電界放出用プローブ）として用いた。第1の電極１１はコーン状で、先端の直径は約１０ｎｍであった。さらに、磁界印加部６０として、２ｋＯｅの磁界を印加できるように構成した。
【０１０５】
本実施例に用いたものと同様の酸化クロム（ＣｒＯ２）、コバルト白金（ＣｏＰｔ）の単層の保磁力ＨｃはＶＳＭにより測定した結果、それぞれ５００Ｏｅ、２５００Ｏｅであることが分った。本実施例の磁気記録媒体２０は２段のループを示しており、５００Ｏｅ、２５００Ｏｅ付近で磁化Ｍの変化が見られ、酸化クロム（ＣｒＯ２）とコバルト白金（ＣｏＰｔ）の層が磁気的に交換結合していないために、それぞれのＨｃがお互いに影響を及ぼさない特性曲線が得られていることが分かった。
【０１０６】
つまり、非磁性中間層２５として膜厚が５ｎｍの銅（Ｃｕ）の層を挿入することにより、酸化クロム（ＣｒＯ２）からなる偏極スピン制御層２４と、コバルト白金（ＣｏＰｔ）からなる磁気記録層２６の間の交換結合が作用していないことが確認できた。またさらに、磁界Ｈの方向が媒体面に対して垂直方向（面直方向）であったことから、コバルト白金（ＣｏＰｔ）からなる磁気記録層２６の容易軸方向が面直方向になっていることが同時に確認できた。
【０１０７】
次に、上述の情報記録再生装置と、磁気記録媒体２０とを用いてスピン偏極電流による磁気記録の実験を行った。
【０１０８】
まず、酸化クロム（ＣｒＯ２）からなる偏極スピン制御層２４とコバルト白金（ＣｏＰｔ）からなる磁気記録層２６の磁化を上向きの方向に揃えておく。この記録媒体に対して、下向きの磁界を加えて酸化クロム（ＣｒＯ２）からなる偏極スピン制御層２４のみの磁化を反転させる。この状態で第1の電極１１から電子線照射を行い、同時に磁気記録媒体２０の抵抗を測定した。電子線照射を行う前は、酸化クロム（ＣｒＯ２）からなる偏極スピン制御層２４とコバルト白金（ＣｏＰｔ）からなる磁気記録層２６の磁化は反平行に配置されているため、高抵抗の状態である。第１の電極１１に約１０Ｖの電圧を印加して１ｍＡの電界放出電流を確認した。このとき、磁気記録媒体２０の抵抗値は約６０ｍΩ低下した。このことから、第１の電極１１からの電子線放出により、コバルト白金（ＣｏＰｔ）からなる記録層２６の磁化が反転し、酸化クロム（ＣｒＯ２）からなる偏極スピン制御層２４の磁化と平行になったため、その抵抗は低下したと考えられる。つまり、第１の電極１１からの電子線照射により、磁気記録層２６に対する記録が行われることが確認できた。
【０１０９】
なお、本実施例のように媒体記録部を非磁性体からなる分離領域２７で分離形成した場合、磁気記録層２６としてコバルト白金（ＣｏＰｔ）の代わりにより磁気異方性エネルギー密度（Ｋｕ）の高い鉄白金（ＦｅＰｔ）を用いると、ＦｅＰｔは「熱揺らぎ」に強く、それ故ＣｏＰｔよりも記録部の微細化を促進できる。また、スピン注入記録に必要な電流値はＫｕを上げると増加するものの、記録される磁性体の体積が高密度化により減少すればするほど、記録（磁化反転）に必要な電流値は大幅に減少する。このため、記録部を微細化（＝高密度化）してもスピン電流の大きさが増えることは無く、低電流値でのスピン注入記録が可能となる。
【０１１０】
次に、本実形態の変形例を説明する。
【０１１１】
図２３に示すように、コイル６２と、磁性金属からなる第２の電極１２とを磁気的結合させた構成を磁界印加部として用いることで、磁気記録媒体２０の偏極スピン制御層２４の磁化の向きを決定してもよく、このような構成を取ることでヘッド部１０の構成を簡素化することでヘッド部の小型化が可能となる。その他の構成、作用、効果は上述の実施例と同様である。
【０１１２】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の電極１１の周囲に電子線４０を制御する第２の電極１２を設けることにより、電磁的な外乱２００等を受けた場合でも記録媒体２０の記録部への電子線４０の照射位置および照射強度の変動を抑制することが可能となる。これにより、照射領域が微細化しても安定な電子線照射を行うことができるので高いＳＮ比をもって記録信号の再生が可能となり、記録密度を飛躍的に改善することができる。
【０１１３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による情報記録再生装置について説明する。本実施形態の情報記録再生装置は、第２実施形態の情報記録再生装置と同様に、磁気記録媒体にスピン注入により磁気的記録するものである。図２４に本実施形態の情報記録再生装置の断面を示す。
【０１１４】
本実施形態の情報記録再生装置は、第２実施形態において、磁極６１を削除して、電界放出による電子線４０を放出するためのプローブ電極として用いる第１の電極１１が磁極を兼用した構成となっている。このため、本実施形態においては、第１の電極１１は高偏極スピン制御材料からなっており、例えば第１の電極１１は、第２の実施の形態において説明した記録媒体側の偏極スピン制御層２４と同様の材料（ハーフメタル等）からなっている。
【０１１５】
また、本実施形態の情報記録再生装置に用いられる磁気記録媒体２０の構成が第２実施形態と異なっている。すなわち、磁気記録媒体２０は、電気的に接地されＡｕからなる電極層２９が裏面に設けられたＰ型Ｓｉ等の基板２１上に、例えばＦｅＰｔなどの高Ｋｕの材料からなる磁化固着層２８が成膜されている。磁化固着層２８は予め一方向に磁化されている。この磁化固着層２８上にＣｕ、Ｃｕ酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等のいずれかからなる非磁性中間層２５が設けられ、この非磁性中間層２５上に例えばＣｏＰｔからなる磁気記録層２６が設けられている。この磁気記録層上に例えばＤＬＣからなる保護層２３が設けられ、この保護層２３上に図示しない潤滑層が設けられている。磁化固着層２８、非磁性中間層２５、および磁気記録層２６が磁気抵抗効果膜を形成する。
【０１１６】
このように構成された本実施形態の情報記録再生装置において、第２の電極１２に所定電圧を印加した状態で記録再生制御回路３０Ａによってコイル６２に電流を流し、この電流によって発生する磁界により第１の電極１１を磁化し、記録再生制御回路３０Ａによって第１の電極１１に電圧を印加する。すると、第１の電極１１の磁化の向きにスピン偏極された電子線４１が磁気記録媒体２０の記録部に照射され、磁気記録層２６にスピン偏極した電流４０が流れ、磁気記録層２６の磁化の向きが第1の電極１１の磁化の向きと同じ向きになることにより情報の記録が行われる。
【０１１７】
情報の消去は、記録再生制御回路３０Ａによってコイル６２に電流を流して記録時と逆極性の磁界を第１の電極１１に加えることで、第１の電極１１の磁化の向きを反転させる。後は上記記録時と同様の手順で行われる。
【０１１８】
また、再生時は磁気記録層２０にスピン注入ができないレベルの電子線が放出されるように記録再生制御回路３０Ａによって第１の電極１１に電圧を印加して、ヘッド部１０と磁気記録媒体２０を相対的に移動させる。磁気記録層２６、非磁性層２５、磁化固着層２８から成る磁性抵抗効果層の電気抵抗が磁気記録層の記録の有無に応じて大きく変化するため、この変化を記録再生制御回路３０Ａによって電圧変化として検出することにより記録信号の再生を行う。なお、第２実施形態と異なり、本実施形態においては、再生時には磁界印加部（本実施形態ではコイル６１）によって磁界を発生し、記録媒体２０に磁界を印加する必要が無い。
【０１１９】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の電極１１の周囲に電子線４０を制御する第２の電極１２を設けることにより、電磁的な外乱２００等を受けた場合でも記録媒体２０の記録部への電子線４０の照射位置および照射強度の変動を抑制することが可能となる。これにより、照射領域が微細化しても安定な電子線照射を行うことができるので高いＳＮ比をもって記録信号の再生が可能となり、記録密度を飛躍的に改善することができる。
【０１２０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による情報記録再生装置を、図２５（ａ）、２５（ｂ）を参照して説明する。図２５（ａ）は、本実施形態による情報記録装置の主要な構成を説明する斜視図、図２５（ｂ）は図２５（ａ）に示すディスク状の記録媒体２０の領域Ａを拡大した図である。
【０１２１】
本実施形態による情報記録装置は、電子線を電界放出する第１の電極１１および放出された電子線に制動力を加えて電子線の放出を安定化する第２の電極１２を有する記録消去再生用プローブ１００と、記録消去再生回路（図示せず）と、を備えており、記録媒体２０としてディスク状の記録媒体２０が用いられる。このディスク状の記録媒体２０は、図２５（ｂ）に示すように、ディスク状記録媒体２０の表面において、各記録ビット領域１１０が分離領域１２０により分離されて規則的に配列されている。なお、本実施形態における第１の電極１１および第２の電極１２は第１乃至第３実施形態のいずれかの情報記録再生装置のものと同じ構成とすることができる。また、記録消去再生用プローブ１００はヘッドサスペンション９０によって支持されている。
【０１２２】
本実施形態の情報記録装置においては、スピンドルモータ８０によってディスク状の記録媒体２０を回転させることによりディスク状の記録媒体２０を記録消去再生用プローブ１００に対して相対的に運動させ、トラック方向の記録ビット領域の列、すなわち記録トラック７０に沿って情報の記録・消去・再生を行う。このように、第１実施形態で説明した記録媒体２０または第２乃至第３実施形態で説明した磁気記録媒体２０をディスク状の形状とすることにより、本実施形態による情報記録装置は、より大容量かつ高速での記録・再生・消去が可能となる。
【０１２３】
なお、本実施形態に用いられる記録媒体２０は、記録ビット領域１１０が分離領域１２０によって分離された２次元的に規則的に配列された記録媒体構造を有している。このような構造の記録媒体を利用することで、第１の電極１１を経由して媒体に流れる電流が、分離された記録ビット領域１１０にのみ流れるため、記録メカニズムの種類（加熱昇温による記録層の物理的状態の変化の記録やスピン注入記録等）に係わらず、隣接ビット領域のクロスイレーズが生じることなく記録ビット領域１１０のみへの記録や消去が可能となり、再生時も隣接ビットからのクロストークを被ることが無いため、より大容量のメモリに適するものとなる。
【０１２４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による情報記録再生装置を、図２６（ａ）、２６（ｂ）を参照して説明する。図２６（ａ）は、本実施形態による情報記録装置の主要な構成を説明する斜視図、図２６（ｂ）は図２６（ａ）に示す記録媒体２０の領域Ｂを拡大した図である。
【０１２５】
本実施形態の情報記録再生装置は、第１乃至第３実施形態で説明した記録媒体２０または磁気記録媒体２０に対して複数の記録消去再生用プローブ１００を有する２次元プローブ・アレー８１と、マルチプレクサ・ドライバ８２と、記録消去再生回路（図示せず）と、を備えている。２次元プローブ・アレー８１の各記録消去再生用プローブ１００は、所定の領域（例えば図２６（ａ）に示す領域Ｂ）に含まれる複数の記録ビット領域１７に対して記録・消去・再生を行う。各記録消去再生用プローブ１００は第１の電極１１および第２の電極１２を有している。本実施形態における第１の電極１１および第２の電極１２は第１乃至第３実施形態のいずれかの情報記録再生装置のものと同じ構成とすることができる。また、本実施形態においては、記録媒体２０は、図２６（ａ）に示すように、水平方向（ｘ方向およびｙ方向）に移動させることが可能であるとともに垂直方向（ｚ１、ｚ２、ｚ３方向）に移動させることが可能である構成となっている。
【０１２６】
本実施形態の情報記録装置においては、上記のように記録消去再生用電極針（記録消去再生用プローブ１００）を複数個設けて、これらの記録消去再生用電極針１００を並列動作させることにより記録媒体２０に対して多チャンネルの記録、消去、再生を行うものである。このため、本実施形態による情報記録再生装置は、より小型化しても、より高密度での記録・消去・再生が可能となる。
【０１２７】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、安定した電子線照射により記録媒体の微細な記録部に電流を流すことによって、実用的なヘッドで大容量で高速の記録・消去・再生を実現することができる。
【０１２８】
また、外乱等の影響を受けても安定且つより微細領域に電子線を記録媒体の記録部に向けて電界放出することが可能となるため、従来よりも飛躍的に超高密度で且つ高速の情報記録再生装置を実現することができる。
【０１２９】
したがって、本発明の各実施形態によれば、記録密度を従来のものに比べて飛躍的に向上させることができる情報記録再生装置を提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の第１実施形態による情報記録再生装置を示す断面図。
【図２】第１実施形態による情報記録再生装置を記録媒体側から見た平面図。
【図３】第１実施形態による情報記録再生装置にかかる第１の電極の形状を説明する図。
【図４】第１実施形態による情報記録再生装置にかかる第１の電極の形状を説明する図。
【図５】第１実施形態による情報記録再生装置にかかる第１および第２の電極を記録媒体側から見た図。
【図６】第１実施形態による情報記録再生装置にかかる第１および第２の電極を記録媒体側から見た図。
【図７】電界放出による電子線の理想的な放出状態を説明する図。
【図８】従来の情報記録再生装置において、外乱を受けた場合の電界放出による電子線の放出状態を説明する図。
【図９】第１実施形態による情報記録再生装置において、外乱を受けた場合の電界放出による電子線の放出状態を説明する図。
【図１０】本発明の第２実施形態による情報記録再生装置を示す断面図。
【図１１】第２実施形態の情報記録再生装置の記録手順を説明する図。
【図１２】第２実施形態の情報記録再生装置の記録手順を説明する図。
【図１３】第２実施形態の情報記録再生装置の記録手順を説明する図。
【図１４】第２実施形態の情報記録再生装置の記録手順を説明する図。
【図１５】第２実施形態の情報記録再生装置の記録手順を説明する図。
【図１６】第２実施形態の情報記録再生装置の記録手順を説明する図。
【図１７】外部磁界が印加されない場合の磁気記録層の理想的な電流−磁化曲線を示す図。
【図１８】外部磁界が印加された場合の磁気記録層の電流−磁化曲線を示す図。
【図１９】面内方向に亘って複数の領域に分離された磁気記録媒体を用いた第２実施形態の情報記録再生装置の断面図。
【図２０】磁気記録層のみが面内方向に亘って複数の領域に分離された磁気記録媒体を用いた第２実施形態の情報記録再生装置の断面図。
【図２１】ハーフメタルのエネルギー状態密度を示す図。
【図２２】第２実施形態の実施例による情報記録再生装置の断面図。
【図２３】第２実施形態の変形例による情報記録再生装置の断面図。
【図２４】本発明の第３実施形態による情報記録再生装置の断面図。
【図２５】本発明の第４実施形態による情報記録再生装置を説明する図。
【図２６】本発明の第５実施形態による情報記録再生装置を説明する図。
【図２７】本発明に係る記録消去再生回路の記録または消去回路の一具体例を示す回路図。
【図２８】本発明に係る記録消去再生回路の再生回路の一具体例を示す回路図。
【符号の説明】
【０１３１】
１０   ヘッド部
１１   第１の電極（プローブ電極）
１２   第２の電極
１３   ヘッドスライダー
１４   絶縁体
１５   ヘッド部の媒体対向面
１７   記録ビット領域
２０   記録媒体または磁気記録媒体
２１   媒体基板
２２   記録層
２３   保護層
２４   偏極スピン制御層
２５   非磁性中間層
２６   磁気記録層
２７   分離領域
２８   磁化固着層
２９   導体層
３０   記録消去再生制御回路
３０Ａ  記録再生制御回路
４０   電子線
４１   導電電流またはスピン偏極電流
５０   記録磁化
５１   磁化固着層の磁化
６０   磁界印加部
６１   磁極
６２   コイル
７０   記録トラック
８０   スピンドルモータ
９０   ヘッドサスペンション
１００   記録消去再生プローブ
１１０   記録ビット領域
１２０   記録分離領域
【図１】
2007265503.tif 000003
【図２】
2007265503.tif 000004
【図３】
2007265503.tif 000005
【図４】
2007265503.tif 000006
【図５】
2007265503.tif 000007
【図６】
2007265503.tif 000008
【図７】
2007265503.tif 000009
【図８】
2007265503.tif 000010
【図９】
2007265503.tif 000011
【図１０】
2007265503.tif 000012
【図１１】
2007265503.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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